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86
1 Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos autopropulsados BIOMAT 2012 Universidad Nacional de Córdoba C.A. Condat

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1

Estrategias y quimiotaxis en la dinaacutemica de

los organismos autopropulsados

BIOMAT 2012

Universidad Nacional

de Coacuterdoba

CA Condat

2

Olimpiacuteadas bacterianas 2012

Restringida a

bacterias de

1 m con

motores

flagelares

Ganada por 6

Rhodobacter

sphaeroides

Micropileta

oliacutempica de

Oxford

Natacioacuten100 m estilo libre

3

Bdellovibrio bacteriovorus

Olimpiacuteadas bacterianas 2012

Competidor eliminado

(por comerse a otros competidores)

4

El proceso de quimiotaxis la capacidad de moverse hacia los nutrientes o de alejarse de los compuestos nocivos es un ejemplo importante de la adaptacioacuten de los seres vivos a su ambiente La motilidad bacteriana ha evolucionado como consecuencia de la necesidad de buacutesqueda de recursos y la hace posible Se explicaraacuten algunas de las estrategias desarrolladas por las bacterias para optimizar su actividad quimiotaacutectica incorporaacutendose algunos descubrimientos recientes respecto de estas estrategias y describieacutendose experimentos que muestran la posibilidad de rectificar el movimiento de las bacterias y de otros microorganismos Se presentaraacute tambieacuten una descripcioacuten matemaacutetica simple del fenoacutemeno de quimiotaxis y se discutiraacuten algunos aspectos de la energeacutetica del movimiento de los microorganismos autopropulsados

Resumen

5 5 5

Descubrimiento de la bacteria

Las bacterias fueron primero

observadas por A van

Leeuwenhoek in 1676

ldquomicroscopiordquo

6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 2: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

2

Olimpiacuteadas bacterianas 2012

Restringida a

bacterias de

1 m con

motores

flagelares

Ganada por 6

Rhodobacter

sphaeroides

Micropileta

oliacutempica de

Oxford

Natacioacuten100 m estilo libre

3

Bdellovibrio bacteriovorus

Olimpiacuteadas bacterianas 2012

Competidor eliminado

(por comerse a otros competidores)

4

El proceso de quimiotaxis la capacidad de moverse hacia los nutrientes o de alejarse de los compuestos nocivos es un ejemplo importante de la adaptacioacuten de los seres vivos a su ambiente La motilidad bacteriana ha evolucionado como consecuencia de la necesidad de buacutesqueda de recursos y la hace posible Se explicaraacuten algunas de las estrategias desarrolladas por las bacterias para optimizar su actividad quimiotaacutectica incorporaacutendose algunos descubrimientos recientes respecto de estas estrategias y describieacutendose experimentos que muestran la posibilidad de rectificar el movimiento de las bacterias y de otros microorganismos Se presentaraacute tambieacuten una descripcioacuten matemaacutetica simple del fenoacutemeno de quimiotaxis y se discutiraacuten algunos aspectos de la energeacutetica del movimiento de los microorganismos autopropulsados

Resumen

5 5 5

Descubrimiento de la bacteria

Las bacterias fueron primero

observadas por A van

Leeuwenhoek in 1676

ldquomicroscopiordquo

6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 3: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

3

Bdellovibrio bacteriovorus

Olimpiacuteadas bacterianas 2012

Competidor eliminado

(por comerse a otros competidores)

4

El proceso de quimiotaxis la capacidad de moverse hacia los nutrientes o de alejarse de los compuestos nocivos es un ejemplo importante de la adaptacioacuten de los seres vivos a su ambiente La motilidad bacteriana ha evolucionado como consecuencia de la necesidad de buacutesqueda de recursos y la hace posible Se explicaraacuten algunas de las estrategias desarrolladas por las bacterias para optimizar su actividad quimiotaacutectica incorporaacutendose algunos descubrimientos recientes respecto de estas estrategias y describieacutendose experimentos que muestran la posibilidad de rectificar el movimiento de las bacterias y de otros microorganismos Se presentaraacute tambieacuten una descripcioacuten matemaacutetica simple del fenoacutemeno de quimiotaxis y se discutiraacuten algunos aspectos de la energeacutetica del movimiento de los microorganismos autopropulsados

Resumen

5 5 5

Descubrimiento de la bacteria

Las bacterias fueron primero

observadas por A van

Leeuwenhoek in 1676

ldquomicroscopiordquo

6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 4: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

4

El proceso de quimiotaxis la capacidad de moverse hacia los nutrientes o de alejarse de los compuestos nocivos es un ejemplo importante de la adaptacioacuten de los seres vivos a su ambiente La motilidad bacteriana ha evolucionado como consecuencia de la necesidad de buacutesqueda de recursos y la hace posible Se explicaraacuten algunas de las estrategias desarrolladas por las bacterias para optimizar su actividad quimiotaacutectica incorporaacutendose algunos descubrimientos recientes respecto de estas estrategias y describieacutendose experimentos que muestran la posibilidad de rectificar el movimiento de las bacterias y de otros microorganismos Se presentaraacute tambieacuten una descripcioacuten matemaacutetica simple del fenoacutemeno de quimiotaxis y se discutiraacuten algunos aspectos de la energeacutetica del movimiento de los microorganismos autopropulsados

Resumen

5 5 5

Descubrimiento de la bacteria

Las bacterias fueron primero

observadas por A van

Leeuwenhoek in 1676

ldquomicroscopiordquo

6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 5: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

5 5 5

Descubrimiento de la bacteria

Las bacterias fueron primero

observadas por A van

Leeuwenhoek in 1676

ldquomicroscopiordquo

6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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6

Leeuwenhoek

Descubrioacute entre otras cosas los gloacutebulos rojos y los espermatozoides Luego de su muerte en 1723 el pastor de la Nueva Iglesia en Delft escribioacute a la Royal Society

Antony van Leeuwenhoek considered that what is true in natural philosophy can be most fruitfully investigated by the experimental method supported by the evidence of the senses for which reason by diligence and tireless labour he made with his own hand certain most excellent lenses with the aid of which he discovered many secrets of Nature now famous throughout the whole philosophical World

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 7: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

7 7 7

Variaciones de forma

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 8: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

8

Tamantildeo bacteriano

En ambiente oligotroacuteficos (como el mar) se favorece una reduccioacuten

del tamantildeo de manera de mejorar la relacioacuten superficievolumen

Sin embargo hay un tamantildeo miacutenimo ( 02m) para que la bacteria

pueda tener todos los elementos que aseguren su reproduccioacuten

Protuberancias y ramificaciones ayudan a aumentar la absorcioacuten

cuando es controlada por difusioacuten

Como la informacioacuten se transmite por difusioacuten un tamantildeo grande

retarda la comunicaciٴoacuten entre diversas partes de la bacteria

Bacteria maacutes grandeThiomargarita namibiensis a = 07 mm

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 9: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

9

Staphylococcus aureus

Sin autopropulsion

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 10: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

10 10 10

Amphitrichous

Picture

Con autopropulsion

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 11: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

11 11 Pfeffer 1888

Quimiotaxis

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 12: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

12 12

Experimento

Un partiacutecula de ldquonieve marinardquo cae con

rapidez constante

Deja atraacutes una pluma de nutrientes que

atrae bacterias

(pseudoalteromonas haloplanktis)

Stocker et al PNAS 105 4209 (2008)

Mar raacutepida dispersioacuten de nutrientes

requiere alta velocidad bacteriana

Bacterias en el mar

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 13: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

13 13 13

Competicioacuten

entre

morfotipos

13

Quimiotaxis

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 14: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

14

Quimiotaxis

Caminata al azar sesgada

en un gradiente quiacutemico

15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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15

Estrategia bacteriana 1

Cuando los flagelos rotan en el sentido contrario a las

agujas del reloj el organismo ldquonadardquo corrida

Cuando la rotacioacuten cambia abruptamente y los flagelos

giran en el sentido de las agujas del reloj la bacteria ldquoda

un tumboldquo en el lugar y luego comienza a nadar en una

nueva direccioacuten aleatoria

Bacterias enteacutericas corridas y tumbos

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 16: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

16 16

Estrategia bacteriana 1

E coli un prototipo uacutetil pero que

ha sesgado el estudio de bacterias

Considere bacterias con un solo

flagelo o que viven en regiones

oligotroacuteficas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 17: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

17

Sendero quimiotaacutectico

Proteiacutenas

sentildealizadoras

transmiten sentildeales

desde receptores

moleculares

ubicados

en la superficie

a los motores

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 18: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

18 18

Nanomotor molecular

El motor impelido por

protones

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 19: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

19

Nanomotor molecular

Funcionamiento del motor

1 El protoacuten que viene del exterior se pega a una proteiacutena en

el estator (probablemente MotB)

2 El estator sufre una transicioacuten conformacional Esta

transicioacuten es la que limita la velocidad de rotacioacuten

3 La deformacioacuten del estator genera la rotacioacuten del rotor

4 El canal ioacutenico a traveacutes del estator es regulado por el

movimiento del rotor

Las bacterias marinas usan iones de sodio en lugar de protones

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 20: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

20 20 20

Blair et al

Science 320

1636 (2008)

Bacillus

subtilis

Nanoembrague

se usa para

ldquoestacionarrdquo

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 21: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

21 21 21

Torque medido E coli

Chen and Berg Biophys J 78 1036 (2000)

El torque es

independiente de la

velocidad angular de

rotacioacuten flagelar

hasta llegar a la ldquorodillardquo

donde comienza a decaer

linealmente

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 22: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

22

Relacioacuten bacteria-medio

Osborne Reynolds estudioacute

la transicioacuten entre flujo

laminar y turbulento

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 23: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

23

Nuacutemero de Reynolds

Flujo alrededor de una esfera es estrictamente

laminar si R lt 01 ndash bacterias R 10-4

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 24: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

24

Ley de Stokes

La fuerza friccional (de arrastre) ejercida por un fluido viscoso

sobre una esfera de radio a movieacutendose con v es (Stokes 1851)

Nota la fuerza propulsiva no tiene porqueacute tener la misma

dependencia con la velocidad Solo debe equilibrar a Fd a la

velocidad de translacioacuten estacionaria

(Si R es lo suficientemente bajo)

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 25: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

25

Una bacteria se detiene

Si el motor bacteriano se detiene repentinamente el movimiento

subsiguiente de la bacteria estaacute descripto por

con m = (43)a3e Si = m6a

Entonces

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 26: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

26

Una bacteria se detiene

Distancia de detencioacuten

a = 10-4 cm e = 1 gcm3

=10-2 g(cms) v(0) = 210-3 cms

= 2 10-7 s d = 4 10-10 cm

(La bacteria no se detiene completamente sino que sigue sujeta

al movimiento Browniano)

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 27: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

27

La alimentacioacuten de la bacteria

El transporte molecular hacia las bacterias ocurre mayormente por

difusioacuten

Para bacterias enteacutericas el transporte estaraacute limitado por la absorcioacuten

(debido a la abundancia de recursos) mientras que en el caso de

bacterias marinas estaraacute tiacutepicamente limitado por la difusioacuten

Si a es el radio de la esfera C0 es la concentracioacuten en la superficie

y C la concentracioacuten lejos en estado estacionario la concentracioacuten

depende de la distancia r al centro de la esfera como

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 28: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

28

La alimentacioacuten de la bacteria

El flujo difusivo total

a la ceacutelula es

J(a) = 4Da(C ndash C0)

D coeficiente de difusioacuten

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 29: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

29 29

Estrategia bacteriana 2

Estrategias de acuerdo a Mitchell (2005)

Gris concentracioacuten de atractante (c) y (d) corrida y reversa

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 30: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

30 30 30

Estrategia bacteriana 2b

Xie et al PNAS 2011

Bacteria marina (vibrio alginolyticus) el coletazo (ldquoflickrdquo)

Rojo hacia atraacutes verde hacia adelante

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 31: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

31

Estrategia bacteriana 2b

En un paso de la corrida y el tumbo

la bacteria se desplaza L = vtc

En un paso en la estrategia del

coletazo

(= paso adelante + paso atraacutes)

se desplaza L = vtf - tb

Esto le permite regulando tf y tb

moverse un tramo mayor si estaacute

siguiendo una huella quimiotaacutectica

o un tramo menor si quiere

localizarse

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 32: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

32 32

Motilidad y

quimiotaxis de

Thiovulum Majus

La bacteria prefiere

estar

en concentraciones

especiacuteficas de oxiacutegeno

Si entra en regiones

superoacuteptimas o

infraoacuteptimas vuelve

haciendo una U

Se puede mover

a 500 ms

T Fenchel 1994

Estrategia bacteriana 3

La concentracioacuten de O2 (ordenada) es oacuteptima en la banda central

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 33: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

33

La bacteria maacutes raacutepida

tegia bacteriana 3

Ovobacter propellens (a = 4 m)

viaja hasta a 1 mms

(Fenchel y Thar 2004)

Tiene 400 flagelos

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 34: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

34 34

Estrategia bacteriana 4

Barbara and Mitchell 2003

Pseudomona haloplanktis

persiguiendo a un alga

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 35: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

35 35

Estrategia bacteriana 4

hellipo a su fantasma

Locsei y Pedley (2009) usan

simulaciones para argumentar

que puede ser un efecto

hidrodinaacutemico pasivo

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 36: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

36

Movimiento bioloacutegico

En muchas circunstancias hay que describir movimientos que

tienen elementos aleatorios los que pueden ser de naturaleza

teacutermica o generados por procesos bioloacutegicos

Los fiacutesicos solemos trabajar con el movimiento molecular

los bioacutelogos pueden consideran el movimiento aleatorio de

elementos bioloacutegicos

Son ldquoproblemas de difusioacutenrdquo

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 37: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

37 37

de partiacuteculas en V a (t+dt) = de partiacuteculas en V a (t) +

+ [partiacuteculas que entran a V en dt] ndash [partiacuteculas que salen de V en dt]

+ [partiacuteculas creadas en V en dt] ndash [partiacuteculas aniquiladas en V en dt]

Consideremos flujo unidimensional

Ecuacioacuten de balance

Conservacioacuten de la materia

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 38: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

38 38

Conservacioacuten de la materia

J(xt) flujo [nuacutemero neto que cruza A por ut y ua]

c(xt) concentracioacuten [nuacutemero de partiacuteculas por uv en (xt)]

f(xt) densidad de fuentes [nuacutemero neto creado en (xt)]

c(xt+dt)Adx = c(xt)Adx + J(xt)Adt ndash J(x+dxt)Adt

+f(xt)Adxdt

Divido por Adxdt

[c(xt+dt) - c(xt)]dt = ndash[J(x+dxt) - J(xt)]dx + f(xt)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

J c

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 39: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

39 39

En maacutes de una dimensioacuten

es un vector normal a la superficie cerrada S que apunta

hacia afuera S encierra al volumen V

es la corriente que atraviesa dS

Conservacioacuten de la materia

V

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 40: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

40 40

Conservacioacuten de la materia

Usando el teorema de Gauss

Como V es arbitrario

(divergencia)

Ecuacioacuten de conservacioacuten

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 41: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

41 41

El Flujo

Flujo advectivo

Flujo difusivo (Ley de Fick)

gradiente indica la direccioacuten

de maacutexima variacioacuten de c

D coeficiente de

difusioacuten

x

c(x)

v

c

difJ

difJ

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 42: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

42 42

Ecuacioacuten de difusioacuten

Reemplazando el flujo en la ecuacioacuten de conservacioacuten obtenemos

Si hay conservacioacuten de partiacuteculas (f = 0)

y no hay adveccioacuten (v = 0)

tenemos la ldquoecuacioacuten de difusioacutenrdquo

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 43: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

43 43

Ecuacioacuten de difusioacuten d = 1

Condiciones de contorno c(x1t) = c1(t) en x = x1

c(x2t) = c2(t) en x = x2

Alternativa

C de C sobre los flujos

en x = x1

en x = x2

Condicioacuten inicial c(x0) = c0(x)

Contorno impermeable

2

2

x

cD

t

c

2

2

x

cD

t

c

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 44: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

44 44

Solucioacuten elemental d =1

Se liberan M partiacuteculas en una regioacuten infinita que inicialmente

no contiene la substancia

CI c(x0) = Mx

CC Lim x c(xt) = 0 t lt

Conservacioacuten

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 45: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

45 45

En un x 0 la

concentracioacuten primero

aumenta y luego baja

Solucioacuten elemental d =1

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 46: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

46 46

Berg and Purcell 1977

Receptores sobre una esfera

Considere N receptores de radio s sobre una esfera de radio a

Calcule la corriente I total a los receptores

(I0 toda la superficie es absorbente)

s = 1 nm a = 5 m I = I02 para N = 15700

Solo 120000 de la superficie necesita estar

ocupada por receptores para tener I = I02

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 47: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

47 47

Ecuacioacuten logiacutestica

r paraacutemetro malthusiano

K capacidad de carga

Podemos usar el lado derecho como la fuente en la Ec de difusioacuten

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 48: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

48 48

Ecuacioacuten de Fisher- Kolmogorov

Velocidad del frente

Sus variaciones se usan para

estudiar crecimiento de caacutencer

y de colonias bacterianas

propagacioacuten de epidemias etc

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 49: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

49 49

Quimiotaxis

Supongamos que la concentracioacuten q(xt) del quimioatractante

variacutea con la posicioacuten

Hipoacutetesis 1 la respuesta quimiotaacutectica estaacute en la direccioacuten del

gradiente del quimioatractante

Hipoacutetesis 2 dicha respuesta es proporcional a la magnitud del

gradiente

El flujo quimiotaacutectico es

coeficiente quimiotaacutectico ( lt 0 para quimiorrepulsioacuten)

50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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50

Quimiotaxis y bacterias

Un posible modelo de la evolucioacuten de una poblacioacuten bacteriana

que se alimenta de una distribucioacuten de nutrientes q

Modelo de Keller - Segel

g(cq) es la fuente neta de nutrientes y Dq su coeficiente de difusioacuten

qDqcgt

qq

qDqcgt

qq

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 51: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

51

Quimiotaxis y bacterias

Si la concentracioacuten de nutrientes se puede considerar independiente

del tiempo y no hay creacioacuten neta de bacterias nos quedamos con

Para quimiotaxis eficiente es mejor tener Dc chico y grande

de manera de maximizar el seguimiento del gradiente

quimiotaxis difusioacuten

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 52: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

52

Nutrientes y movimiento

52 Karp-Boss 1996

Nuacutemero de Peacuteclet

Pe = avD

Nuacutemero de Sherwood

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 53: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

53

Berg y Purcell [Biophys J 20 193 (1977)] calcularon la absorcioacuten de moleacuteculas de coeficiente de difusioacuten D por una esfera de radio a que se mueve con v

02 cvcD

0)( arc

Calcule la corriente J

hacia la esfera

No hay ldquoefecto ballenardquo (R 10-5)

Nutrientes y movimiento

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 54: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

54 54

Nutrientes y movimiento

Berg and Purcell (Biophys J 1977)

encontraron que la absorcioacuten de

nutrientes por unidad de tiempo

estaba dada por

DavJvJ )(

y que la influencia de

v era pequentildea

(bien para E coli

avD = 003 )

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 55: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

55 55

Sin embargo

Observaciones posteriores indican que la absorcioacuten de nutrientes

puede aumentar sustancialmente como funcioacuten de la velocidad

relativa del fluido y de la bacteria [Logan amp Hunt Limnol Oceanogr

32 1034 (1987) Logan amp Kirchman Mar Biol 111 175 (1991)]

DavJvJ

Razones

Gran v (650 ms in Thiovulum majus

1 mms in Ovobacter Propellens)

Pequentildeo D (molecules with larger molecular weights in

marine environments)

Forma no esfeacuterica (flagelos cambian estructura del flujo)

Nutrientes y movimiento

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 56: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

56 56

Nutrientes y movimiento

Leucine

absorption as a

function of the

fluid motion

Logan and Kirchman

Marine Biol 111 175 (1991)

57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

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tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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57 Langlois 2009

Nutrientes y movimiento

La introduccioacuten de un flagelo deforma las liacuteneas de corriente

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

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tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 58: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

58

Nutrientes y movimiento hellip cambiando la distribucioacuten de nutrientes

Pe =

10-2

102

1

L = 5a

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 59: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

59

Nutrientes y movimiento

hellipy aumentando la absorcioacuten de nutrientes

Pe = avD

Sh = QQ0

Q (Q0) absorcioacuten

con (sin) adveccioacuten

Langlois 2009

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

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21

0

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c

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Q

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1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 60: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

60

Rectificacioacuten

Galajda et al 2007

Estructuras microfabricadas pueden usarse para modificar la

distribucioacuten espacial de las bacterias

Las bacterias tienden a pegarse a la pared y a separarse soacutelo

cuando ocurre un tumbo (si usan estrategia 1)

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

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tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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12

2

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 61: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

61

Rectificacioacuten

Una serie de barreras de embudos actuacutea como una bomba que remueve

las bacterias de un extremo del sistema y los instala en el otro

Se usa E coli

Galajda et al 2007

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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2

12

2

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0

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 62: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

62

Separacioacuten de microorganismos

Se distribuyen uniformemente poblaciones de bacterias no moacutetiles

(rojas ) y moacutetiles (verdes) y se observan las distribuciones luego de

80 minutos

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

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tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 63: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

63

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Las bacterias que no

sufren tumbos se

rectifican maacutes raacutepido

Simulaciones I Berdakiacuten

V Marconi

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 64: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

64

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Los experimentos indican que la salida del tumbo en E coli

estaacute sesgada hacia adelante hay persistencia

Se introdujo este elemento en la simulacioacuten

Desplazamiento cuadraacutetico

medio sin barreras

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

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tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

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21

0

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Q

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 65: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

65

Separacioacuten de bacterias en Coacuterdoba

Galajda ciacuterculos azules

Buen ajuste gracias a la inclusioacuten

de la persistencia en la simulacioacuten

Rectificacioacuten r una barrera

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

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c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 66: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

66

Micromaacutequinas

La asimetriacutea puede

usarse para

construir micromaacutequinas

que extraigan trabajo de

las bacterias (Bacilus subtilis)

Sokolov et al 2010

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

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0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

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2

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E

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Q

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 67: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

67

Otros microorganismos

iquestQueacute pasa con bacterias que usan otras estrategias de quimiotaxis

Probar con vibrio alginolyticus (que tiene el ldquoflickrdquo)

A hacerse en Lovaina

iquestQueacute pasa con los espermatozoides

Experimentos tienden a alinearse con la pared

Rectificacioacuten se estudia en CeBiCeM en la UNC

(Guidobaldi Giojalas) Poacutester de Ivaacuten Berdakiacuten

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 68: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

68 68 68 68

Torque medido E coli

Escherichia coli

impulsado por H+

(poliflagelar) Chen and Berg

Biophys J 78 1036

(2000)

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

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21

0

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Q

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 69: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

69

Torque medido otras bacterias

Vibrio alginolyticus

impulsado por Na+

(un motor) Y Sowa et al JMolBiol 27

1043 (2003)

Caulobacter crescentus

impulsado por H+

(un motor) Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

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21

0

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2

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Q

2

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0

0

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E

tEvtv

Q

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 70: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

70

Torque medido

La forma de la curva es general para

las bacteria moacutetiles

Li amp Tang Biophys

J 91 2726 (2006)

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

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tc

Q

2

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0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 71: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

71 71

Potencia

=

(excepto a muy altos)

Velocidad de nado v

v (Magariyama et al Li and Tang)

(v) v

iquestPor queacute

iquestQueacute nos dicen los experimentos

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

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Q

2

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)()(

E

tEvtv

Q

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 72: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

72

El ambiente en el oceacuteano

Azam and Long Nature 414 6863 (2001)

Nieve marina formada por partiacuteculas

orgaacutenicas con altas concentraciones de

nutrientes

La raacutepida dispersioacuten de los nutrientes

requiere altas velocidades bacterianas y

la capacidad de explorar voluacutemenes

grandes

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

)()(

E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 73: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

73

Las bacterias evolucionaron en los oceacuteanos que

son ambientes oligotroacuteficos que contienen

regiones localizadas con altas concentraciones de

nutrientes

iquestCuaacuten lejos pueden nadar las bacterias de oasis a

oasis en su buacutesqueda de comida

Evolucioacuten

74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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2

12

2

2

21

0

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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74

Modelo el movimiento y la energiacutea

Idea construir un modelo que relacione la energiacutea y el

movimiento

Debe ser lo suficientemente general como para que se puedan

obtener conclusiones de aplicacioacuten amplia (esto requiere que sea

simple)

Se deben tener en cuenta los datos experimentales (en particular

el valor de los paraacutemetros relevantes

Modificamos un modelo para el movimiento activo [Schweitzer Ebeling Tilch Phys Rev Lett 80 5044 (1998)]

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

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12

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 75: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

75

Modelo el movimiento y la energiacutea

Hipoacutetesis

1 Nos interesa el movimiento soacutelo durante la corrida de manera

que consideraremos soacutelo desplazamientos unidimensionales

(luego combinaremos las corridas)

2 El ruido Browniano se desprecia

3 La potencia generada por los motores es dv

(experimentos 1)

76

1)(

tvdtEvdt

tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

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22

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2

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tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 76: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

76

1)(

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tdvm

tEtvdtcEq

dt

tdE

0

Ecuaciones baacutesicas

Tercera ley de Newton

Ecuacioacuten para la energiacutea almacenada E

nutrientes metabolismo motores

friccioacuten motores

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

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12

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21

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2

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E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 77: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

77

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

Estimacioacuten Cambios importantes en la energiacutea

almacenada ocurren en un tiempo de horas

Observacioacuten Cambios importantes en la velocidad

bacteriana ocurren en fracciones

de segundo

La velocidad es una variable raacutepida

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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12

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21

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Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 78: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

78

Aproximacioacuten cuasiestaacutetica

The energiacutea almacenada E(t) satisface la ecuacioacuten separada

12

tcEtEdq

dt

tdE

22

0

2

1

0

0E

tEvtvQ

La velocidad cuasiestaacutetica es

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

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Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 79: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

79

Movimiento en un medio sin nutrientes

Buscaremos el valor de que optimiza el proceso de

buacutesqueda en un medio oligotroacutefico

Meacutetodo estudiar cuaacuten lejos va la bacteria si q0 = 0

Importante 1 estaacute prohibido

porque () = () -1

implicariacutea un torque mecaacutenicamente imposible para pequentildeo

80

2

)2(22

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12

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2

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Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 80: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

80

2

)2(22

2

12

2

2

21

0

)2(22

2

)(

c

deE

c

dtE

tc

Q

2

1

0

0

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E

tEvtv

Q

Q

Solucioacuten analiacutetica

En la aproximacioacuten cuasiestaacutetica encontramos para todo 0 lt lt 2

Las predicciones de estos resultados se confirmaron mediante

simulaciones

81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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81

Desplazamiento cuadraacutetico medio

Suponiendo una estrategia de corridas y vuelcos

la bacteria lleva a cabo una caminata al azar

Una medida del tamantildeo de la regioacuten que explora

estaacute dada por el desplazamiento cuadraacutetico medio

ltr2(t)gt

Suponiendo que la duracioacuten de la corrida

es constante (no hay sentildeales exteriores que

la alteren) pero permitiendo que la rapidez

baje con el tiempo tenemos

82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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82

iexcl1 estaacute prohibido

Tamantildeo de la regioacuten explorada

(a) Fijo el radio a = 05 m (b) Fijo v0 = 150 ms

= 1 da siempre el radio maacuteximo

83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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83

Volumen explorado

v0 = 150 ms

El volumen de la

regioacuten explorada

es maximizado

para

1

iexcliexclpero 1 es lo

que se observa

84

Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 84: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

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Longitud de la trayectoria

Longitud de la trayectoria ldquoestiradardquo para

a = 05 m y v0 = 150 ms

Sugiere que = 1 es oacuteptima independientemente de la estrategia

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

Page 85: Estrategias y quimiotaxis en la dinámica de los organismos ...biomat/escuela12/Charlas/Condat.pdf · (debido a la abundancia de recursos), mientras que en el caso de bacterias marinas

85

Estos resultados sugieren que la

independencia de con respecto a

que es observada en las bacterias

puede haber sido seleccionada por la

evolucioacuten de manera de maximizar

la buacutesqueda de nutrientes en el

oceacuteano

Conjetura

86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN

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86

El movimiento bacteriano (y el de otros microorganismos) es

un tema interdisciplinario de notable intereacutes actual donde aparecen

continuamente nuevos resultados experimentales y se generan

nuevos modelos para describirlos

FIN